Diamant Superkobatterien mit hohen Leistungs- und Energiedichten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Nianjun Yang, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457444676

Superkondensatoren und Batterien stellen zwei wichtige Arten elektrochemischer Energiespeicher dar. Superkondensatoren verfügen über hohe Leistungsdichten, aber geringe Energiedichten, Batterien verhalten sich genau umgekehrt. Um die derzeitigen Herausforderungen bei diesen Energiespeichermedien zu bewältigen, zielt dieses Projekt auf die Gestaltung und Herstellung von „Superkobatterien“, bei denen Diamant als Kondensatorelektrode unter Verwendung von redoxaktiven Elektrolyten zum Einsatz kommt. In einem mikrowellenunterstützten chemischen Gasphasenabscheidungsreaktor werden zwei Arten von Diamantkondensatorelektroden synthetisiert; Diamantgewebe und Diamant-netzwerke. Diamantgewebe werden durch Aufwachsen dünner, bor-dotierter Diamantschichten auf flexiblen Kohlenstoffgewebe-Templates hergestellt. Diamantnetzwerke werden durch nasschemisches Ätzen von kubischem Siliziumkarbid auf Diamant/SiC-Kompositschichten erzeugt. Die Dicken dieser BDD-Filme auf Diamantgewebe und die Porositäten der Diamantnetzwerke werden variiert. Die Qualität der so aufgewachsenen Diamantschichten sowie die elektrochemischen und mechanischen Merkmale der Diamantkondensatorelektroden werden mit Hilfe von mikroskopischen, spektroskopischen, elektrochemischen und dazu verwandten Methoden näher charakterisiert. Die Auswirkungen der genutzten Kohlenstoffgewebe, der Dicken der Diamantschichten und der Porositäten der Diamantnetzwerke auf die mechanischen Eigenschaften solcher Elektroden werden analysiert. Zyklische Voltammetrie, galvanostatische Be- und Entladung und elektrochemische Impedanzspektroskopie werden als Messmethoden zur Leistungsbestimmung der so hergestellten Superkobatterien herangezogen; hiermit können deren Kapazitäten, Kapazitätserhaltungsvermögen sowie Leistungs- und Energiedichten bestimmt werden. Der Einfluss der mechanischen Eigenschaften der Diamantkondensatorelektroden und der verwendeten Redoxelektrolyten (z. B. Art, Menge) auf die Leistung der Diamant-Superkobatterien wird näher untersucht. Zur Darstellung praktischer Anwendungs-möglichkeiten von Superkobatterien werden diese im Demonstrationsmaßstab hergestellt. Diese Elektroden werden darüber hinaus freistehend, frei von Bindern und biegbar sein. Zudem zeichnen sich diese durch eine geringe Dichte bei dennoch breitem Potentialfenster, großer Oberfläche, hoher thermischer Leitfähigkeit und guter mechanischer Stabilität aus. Durch die faradayschen Reaktionen in den Redoxelektrolyten ist anzunehmen, dass die Diamant-Superkobatterien eine hohe Leistung erzielen werden, im Einzelnen durch deutlich erhöhte Kapazitäten und Kapazitätserhaltungsvermögen sowie hohen Leistungs- und Energiedichten. Des Weiteren können sie auch bei hohen Temperaturen betrieben werden. Diamant-Superkobatterien werden daher anderen auf dem Markt vorhandenen Lösungen überlegen sein. In Zukunft werden diese Art von Energiespeichermedien vielversprechend für die Anwendung in medizinischen, militärischen und zivilen Bereichen sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen